基于滑模自抗擾的電動汽車電制動系統(tǒng)動態(tài)負(fù)載模擬

曾利奎

（重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 401548）

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)發(fā)展水平持續(xù)上升的背景下，面對能源污染和環(huán)境污染等問題帶來的不良影響，汽車行業(yè)在革新發(fā)展中將目光集中到了研發(fā)新能源上。相比傳統(tǒng)意義上的燃油汽車，電動汽車的電制動系統(tǒng)可以和摩擦制動系統(tǒng)達(dá)成制動需求。在正常運(yùn)行條件下，利用電機(jī)再生制動回收少許車輛動能，電制動系統(tǒng)的動力距響應(yīng)也能快速且準(zhǔn)確的管控，尤其是在極端運(yùn)行條件下，能全面提升汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 電動汽車電制動系統(tǒng)的原理分析

現(xiàn)如今，針對電動汽車制動系統(tǒng)的研發(fā)提出了一項(xiàng)新技術(shù)，原本的制動系統(tǒng)需要駕駛員控制踏板，并與真空助力器連接在一起，其主要用來釋放駕駛員施加給踏板的力，并且會促使主泵活塞實(shí)施制動壓力。同時，制動分泵將會經(jīng)過活塞制動后，促使制動片加緊制動盤，而后得到制動力。而在研制電動汽車時，在這一基礎(chǔ)上又增加了制動能量回收，且其可以被儲存到蓄電池當(dāng)中，以此得到更多的驅(qū)動能量。另外，制動系統(tǒng)也會產(chǎn)生制動力矩，促使電動機(jī)盡快停止沒有價值的慣性運(yùn)動，這一過程也被叫做再生制動。因此，駕駛員在松開油門之后，就會發(fā)現(xiàn)汽車運(yùn)行速度可以快速下降，而就算不踩剎車也不需要擔(dān)心速度問題。結(jié)合當(dāng)前市場建設(shè)發(fā)展趨勢分析可知，這種全新的制動系統(tǒng)電子化技術(shù)時未來汽車行業(yè)建設(shè)革新關(guān)注的焦點(diǎn)，不管是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)還是電動車都將由此產(chǎn)生翻天覆地的變化[1]。

2 背景介紹

國內(nèi)外科研學(xué)者在研究電動汽車電制動系統(tǒng)時，要想利用有關(guān)制動控制算法，必須要先進(jìn)行大規(guī)模的測試和標(biāo)定。其中臺架測試作為整體技術(shù)開發(fā)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)踐應(yīng)用中具有成本低、時間短等優(yōu)勢，但這種模式必須要保障加載裝置道路負(fù)載模擬的精度，因此在實(shí)踐操作時必須要準(zhǔn)確展現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的電制動系統(tǒng)工作情況。例如，有專家學(xué)者提出運(yùn)用MATLAB系統(tǒng)的識別工具箱，離線辨別臺架轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，以及頻域分析的相應(yīng)特征，而后提出相應(yīng)的補(bǔ)償算法。同時，還有學(xué)者在探討時提出，為了解決模式切換期間動態(tài)機(jī)械負(fù)載模擬出現(xiàn)過多問題，可以利用LQR和SMC有效結(jié)合的加載方式進(jìn)行操作，這樣能有效提升負(fù)載模擬的精準(zhǔn)度[2]。

3 系統(tǒng)模型

本文在研究時，要先熟悉與研究有關(guān)的各類模型，分別涉及到：第一，車輛動力學(xué)。結(jié)合下圖1分析可知，其作為前驅(qū)集中式電動汽車電制動系統(tǒng)的具體構(gòu)成，其中車用電機(jī)屬于感應(yīng)電機(jī)，此時要忽略系統(tǒng)兩邊的差異，電制動力矩將會通過變速器、差速器以及左右半軸勻速的傳遞到車輪的位置，在電機(jī)參與汽車制動的條件下，電機(jī)輸出軸和差速器之間的動力學(xué)方程為，其中代表電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，代表半軸的轉(zhuǎn)矩，代表總傳動的速度比，而表示電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角，代表電機(jī)阻尼系數(shù)，代表電機(jī)到差速器之間的等效慣量，且可以用公式來表示。其中分別代表電機(jī)、減速器的輸入軸、中間軸以及輸出軸、差速器、半軸轉(zhuǎn)動慣量；第二，臺架動力學(xué)。這一模型是由車用電機(jī)和測功機(jī)剛性共軸連接的。俺咋后車用電機(jī)和測功機(jī)的軸向分析，選擇順時針方向代表汽車用電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的正方向，那么逆時針代表測功機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距的正方向。此時動力學(xué)方程公式如下所示，其中和代表測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、摩擦因數(shù)，表示測功機(jī)的轉(zhuǎn)角，代表測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩，以及和分別為模型不明確的部分；第三，感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)。不管是車用電機(jī)還是加載測功機(jī)都屬于感應(yīng)電機(jī)，軸坐標(biāo)下的感應(yīng)電機(jī)的電壓、電流以及磁鏈和轉(zhuǎn)距的方程可以表示為

圖1 車輛動力學(xué)構(gòu)成圖

表1 關(guān)鍵參數(shù)表

4 測試研究

一方面，正常制動。在這一條件下，電制動系統(tǒng)可以利用回饋制動力距和液壓制動力來滿足實(shí)際制動需求，最大的電機(jī)制動力矩策略也是現(xiàn)如今最為常見的分配形式，主要根據(jù)汽車狀態(tài)來準(zhǔn)確評估電機(jī)所需的最大動力距，并計算符合制動需求所需的前輪制動力矩，而后分別確定回饋制動力矩和液壓制動力矩的命令數(shù)值與期望數(shù)值。這種方式最大的優(yōu)勢在于可以充分利用電機(jī)制動力，且可以獲取更多有效的汽車動能。在正常制動中，將會影響整體汽車運(yùn)行能量的經(jīng)濟(jì)性和舒適感。因此，為了驗(yàn)證制動控制算法的科學(xué)性，測試臺架必須要準(zhǔn)確模擬內(nèi)部系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載，尤其是模式切換的高動態(tài)過程[3]；

另一方面，防抱死制動。結(jié)合如下圖2所示的控制方法進(jìn)行分析，防抱死制動在被觸發(fā)以后，通過明確路面附著來分析現(xiàn)如今路面所需的最大制動力。同時點(diǎn)制動系統(tǒng)將會在滑移率PID閉環(huán)管控下獲取制動力矩，動態(tài)調(diào)整汽車車輪滑移率需要具備參考數(shù)值，且在電機(jī)無法提供充足制動力的情況下，液壓制動系統(tǒng)必須要進(jìn)行輔助。這一制動系統(tǒng)將影響著整個汽車的安全性和舒適度，因此為了保障后續(xù)臺架測試具有科學(xué)性和有效性，負(fù)載模擬算法必須要精準(zhǔn)模擬防抱死控制下的點(diǎn)制動系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載，尤其是對那些防抱死控制性能不高，滑移率變化頻率過高的情況而言[4]。

5 研究分析與結(jié)語

5.1 測試方案

利用如下圖3所示的方案進(jìn)行模擬分析，需要利用制動控制單元實(shí)時監(jiān)管仿真平臺計算的車輛運(yùn)行情況，并按照制動控制算法，管控車用電機(jī)對汽車產(chǎn)生的制動。同時，負(fù)載模擬控制單元控制臺架轉(zhuǎn)速必須要進(jìn)行實(shí)時跟蹤，明確仿真平臺的目標(biāo)數(shù)值。隨著誤差的降低，負(fù)載模擬性能將會越來越高，且臺架測試也會變得更加有效[5]。

圖3 負(fù)載模擬方案結(jié)構(gòu)圖

5.2 結(jié)論分析

第一，構(gòu)建融合感應(yīng)電機(jī)模型的車和臺架機(jī)電一體化模型，能直觀展現(xiàn)整體汽車動力學(xué)控制臺架測試過程中，測功機(jī)、電機(jī)以及汽車的工作性能，可以用于未來行業(yè)進(jìn)行車輛的動力學(xué)或測功機(jī)加載控制算法等方面的開發(fā)利用；第二，不管是傳動系彈性還是齒隙特性，在動態(tài)運(yùn)行期間很容易出現(xiàn)傳遞力矩波動過大的現(xiàn)象，這樣很容易導(dǎo)致電制動系統(tǒng)在運(yùn)動期間出現(xiàn)高頻震蕩。為了有效模仿相關(guān)高動態(tài)非線性負(fù)載，所選模擬算法必須要具備抗干擾性和動態(tài)性，同時要保障整體管控的準(zhǔn)確性；第三，根據(jù)完全電模擬的負(fù)載模型拓?fù)浜退俣雀櫩刂频呢?fù)載模擬方式分析，運(yùn)用自適應(yīng)模糊滑模自抗干擾的測功機(jī)加載控制算法，同時對比研究傳統(tǒng)IP控制、MPC以及ADRC，可以由此得到更為精準(zhǔn)的模擬結(jié)果。在SMMULINK中實(shí)施制動模式切換和防抱死制動控制臺架測試進(jìn)行模擬仿真研究工作，最終可以得到如下結(jié)果：第一，在切換制動模式時，負(fù)載模擬量化的數(shù)據(jù)誤差相比上述其他三種模式可以分別下降77.8%、65.9%以及46.6%；第二，相應(yīng)防抱死制動過程的模擬量化誤差會分別下降57.7%，58.8%以及43.0%；第三，負(fù)載模擬誤差將會越來越低。由此可知，本文研究基于滑模自抗擾的模擬方式，能有效保障臺架測試的準(zhǔn)確性和有效性，而且可以為后續(xù)電動汽車的科研項(xiàng)目提供有效依據(jù)。

6 結(jié)語

綜上所述，電制動系統(tǒng)作為未來電動汽車行業(yè)革新探索的重要內(nèi)容，企業(yè)和科研人員必須要在整合當(dāng)前應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)和科技技術(shù)革新速度，不斷優(yōu)化相關(guān)研究項(xiàng)目，多學(xué)習(xí)和借鑒國外的優(yōu)秀案例，只有這樣才能從中得出更為完善的制動系統(tǒng)。同時，還要加強(qiáng)專業(yè)人才的培養(yǎng)力度，注重從電動汽車未來發(fā)展趨勢入手，培養(yǎng)更多高素質(zhì)高技能的優(yōu)秀人才，以此在積極參與相關(guān)科研項(xiàng)目活動的同時，提出更多具有研究價值的技術(shù)內(nèi)容。